Verteilung lebensdauerlimitierender Defekte in kristallinem Silizium für Solarzellen

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2008
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Riepe, Stephan
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Distribution of lifetime limiting defects in crystalline silicon for solar cells
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Dissertation
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Zusammenfassung

In this work the spatial distribution of defects in multicrystalline silicon for solar cells and their influence on the minority carrier lifetime and thus the efficiency of the finished cells is analysed. Each defect class (point defects, dislocations, grain boundaries and extended defects) shows specific recombination mechanisms. They are predominantly characterised by the Shockley-Read-Hall-formalism for carrier recombination. The most important defect species exhibit a variety of recombination mechanisms and a non-uniform spatial distribution. Thus the spatially resolved carrier lifetime is the essential parameter focused on in this work.
For quantifying recombination patterns, existing models for the evaluation of point defects and grain boundaries based on lifetime measurements have been adapted for wafers with passivated surfaces. Furtheron a model for the influence of dislocations, evenly spread as dislocation lines perpendicular to the wafer surfaces, has been developed. One- and twodimensional topographies of carrier densities in wafers have been simulated based on measurements of the dislocation density and grain boundary distribution applying assumptions for the point defect distribution and influence of surfaces.
The defect distribution in multicrystalline block silicon and its resulting lifetime profile is determined by the incorporation of defects into the crystal during crystallization and the subsequent cooling down phase. Horizontally and vertically cut wafers of p-type and n-type material have been analysed for the evaluation of height dependent lifetime profiles. Analysis and simulations for the block bottom of p-type material point to an indiffusion of metallic impurities from the crucible and crucible lining. The resulting lifetime profiles superimpose the effect of other defects, most probably caused by oxygen precipitates at crystal defects forming strong recombination centers. In the upper part of the block, the lifetime pattern is dominated by a backdiffusion of metallic impurities from a zone near the block cap with a high density of precipitates. In n-type silicon lifetime values up to a factor of ten higher than in p-type material are found. Assuming a strong lifetime limitation by metallic impurities, this can be explained by the significant asymmetry of capture cross sections for electrons and holes for these elements. Analysis of EFG-material does not give any hints on lateral diffusion of impurities after crystallization. The lifetime distribution is pinned directly after solidification by the crystal structure.
After diffusion processes and phosphorous-aluminium-diffusion as gettering step, an increase of lifetime due to a reduction of distributed defects could be found together with a strong lifetime decrease in areas with small grains. Analysis of oxidation processes reveal a small direct influence of recombination at dislocations in the middle of grains on the lifetime pattern. The dominating recombination channels were recombination at grain boundaries and distributed point defects in the vicinity of grain boundaries. The influence of defect types on the lifetime distribution was investigated by the evaluation of measured and simulated one-dimensional lifetime profiles. Whereas the lifetime profile in the starting material is governed by recombination at grain boundaries and dislocations, the reduction after high temperature steps is predominantly due to the dissolution of impurities from precipitates at grain boundaries and their partial reagglomeration after cool down. The fitting of the simulated patterns to the lifetime distribution does not count as proof for the effect of different defect species, but enables the study of the effect of relevant defects and recombination channels. Thus an assessment of the influence of different defect types on the lifetime distribution and thus solar cell parameters could be made.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Im Rahmen dieser Dissertation wurden die lokale Verteilung von Defekten im multikristallinen Silizium für Solarzellen und ihr Einfluss auf die Lebensdauer der Ladungsträger und damit den Wirkungsgrad der fertigen Zelle untersucht. Jede Defektklasse (Punktdefekte, Versetzungen, Korngrenzen und ausgedehnte Defekte) weist spezifische Rekombinationsmechanismen auf, die überwiegend mit der im Shockley-Read-Hall-Formalismus genutzten Parametrisierung quantifiziert werden können. Die wichtigsten Defektspezies samt zugehöriger Mechanismen weisen eine sehr große Bandbreite und stark räumlich variiende Verteilung auf. Daher bildet die ortsaufgelöste Ladungsträgerlebensdauer den zentral untersuchten Parameter.
Zur Quantifizierung der Rekombinationsvorgänge auf Basis der ortsaufgelösten Verteilung der Ladungsträgerdichte wurden bestehende Modelle für Punktdefekte und Korngrenzen auf die Messsituation für Siliziumwafer mit passivierten Oberflächen angepasst. Weiterhin wurde ein Modell für den Einfluss von Versetzungsanhäufungen in Form gleichmäßig verteilter, senkrechter Versetzungslinien entwickelt. Ein- und zweidimensionale Topographien der Ladungsträgerdichten im Wafer wurden auf Grundlage der Messung der lokalen Versetzungsdichte und Korngrenzenverteilung sowie Annahmen über die Konzentrationsverteilung von Punktdefekten und den Einfluss von Oberflächen simuliert.
Die Defektverteilung in multikristallinem Blocksilizium und das daraus resultierende Profil der Ladungsträgerlebensdauer wird durch den Einbau von Defekten unmittelbar während der Kristallisation und der anschließenden Abkühlphase bestimmt. Zur Untersuchung der Höhenabhängigkeit wurden Säulen von multikristallinem p- und n-Typ Material über die Analyse sowohl vertikaler als auch horizontaler Wafer charakterisiert. Simulationen für den Bodenbereich in p-Typ Blocksilizium legen eine Eindiffusion von metallischen Verunreinigungen mit unterschiedlichen Diffusionskonstanten aus dem Tiegel bzw. der Tiegelbeschichtung nah. Ihr Profil überlagert ein nicht auf Eindiffusion zurückzuführendes weiteres Defektprofil. Dieses wird wahrscheinlich durch Sauerstoffpräzipitate an mikrostrukturellen Defekten verursacht, an denen metallische Verunreinigungen angelagert sind. Dies stellt starke Rekombinationszentren dar. Im oberen Blockbereich ist die Reduktion der Lebensdauer auf eine Rückdiffusion von metallischen Verunreinigungen aus einer Zone erhöhter Ausscheidungsdichte knapp unterhalb der Blockkappe zurückzuführen. Im n-Typ Blocksilizium findet man eine bis zu einem Faktor zehn höhere Lebensdauer gegenüber vergleichbarem p-Typ Material. Dies kann unter der Annahme, dass eine starke Limitierung durch metallische Verunreinigungen erfolgt, mit den deutlich asymmetrischen Einfangquerschnitten für Elektronen und Löcher bei diesen Elementen erklärt werden. Demgegenüber zeigt EFG-Material keine Hinweise auf laterale Diffusionen von Verunreinigungen nach der Erstarrung, die Lebensdauerstruktur wird bereits direkt nach der Erstarrung durch die Kristallstruktur bestimmt.
Nach Diffusionsschritten sowie kombinierter Phosphor-Aluminium-Diffusion als Getterschritt konnten sowohl eine Anhebung der Lebensdauer aufgrund der Reduzierung von verteilten Defekten als auch eine Verminderung der Lebensdauer in kleinkristallinen Gebieten beobachtet werden. Analysen nach Oxidationsschritten ergaben, dass die Rekombination an Versetzungen im untersuchten Materialbereich auch nach Oxidation keinen signifikanten Einfluss auf die mittlere Ladungsträgerdichte hat. Dominierende Rekombinationskanäle waren die Rekombination an Korngrenzen und an verteilten Punktdefekten in der Umgebung von Korngrenzen. Die Änderung der Lebensdauer durch die einzelnen Defektklassen wurde mittels eindimensionaler Simulation von Linienprofilen aus CDI-Messungen untersucht. Während im Ausgangsmaterial die Ladungsträgerverteilung bei einer relativ hohen Hintergrundlebensdauer durch Rekombination an Korngrenzen und Versetzungen signifikant reduziert wird, ist die Reduktion der mittleren Lebensdauer nach Hochtemperaturprozessen maßgeblich auf das Ablösen von Punktdefekten von Agglomeraten an Korngrenzen sowie die Bildung neuer Agglomerate zurückzuführen. Die Korngrenzen reduzieren die Ladungsträgerdichte nach wie vor in signifikanter Weise, während der Einfluss der Rekombination direkt an den Versetzungen geringer ist. Die Anpassung der Messungen über die vorgestellte Simulation der Ladungsträgerdichte stellt keinen direkten und eindeutig quantitativen Nachweis der Wirkung einzelner Defektspezies dar, zeigt aber mögliche Defektverteilungen auf, die in ihrer Kombination die gemessene Verteilung bewirken können. Eine Aussage zum Einfluss der unterschiedlichen Defektklassen auf die Ladungsträger und damit auf die Auswirkung in der Solarzelle konnte mit diesem Vorgehen getroffen werden.

Fachgebiet (DDC)
530 Physik
Schlagwörter
Diffusion, Gettern, silicon, solar cell, defect, lifetime, recombination, diffusion, gettering
Konferenz
Rezension
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Zitieren
ISO 690RIEPE, Stephan, 2008. Verteilung lebensdauerlimitierender Defekte in kristallinem Silizium für Solarzellen [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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December 2, 2008
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